Sufficient knowledge of velocity field is indispensable to understand a turbulence structure and to develop a turbulence model in a boiling two-phase flow. Furthermore, bubble effects on CHF mechanism are related with two-phase turbulence structure. There is, however, little information on the turbulence structure in the boiling two-phase flow. Though some researchers reported important knowledge on the turbulence structure in a boiling bubbly flow, this knowledge was not sufficient for understanding bubble effects and turbulence structure.
In this study, time-mean axial and radial velocities and axial and radial turbulent fluctuation intensities were measured in turbulent upflow of water through a rectangular channel with porous plate. Turbulent intensities were also measured with various porous conditions and channel geometry in order to know the porous diameter effects and channel width effects. A two-component laser Doppler velocimeter was used for the local velocity measurements. Experiments are conducted for water mass fluxes of 588~2667Kg/㎡s at pouring air mass flow rates of 0, 2, 4 and 6 lpm.
From the experiments, total 239 data of velocity and its velocity fluctuation intensity were obtained. It was found that dramatic increases of the axial and radial velocity intensities occurred near the bubbly layer. For the radial velocity intensity, the effect of bubbly layer on the entire velocity field is small in present air-water two-phase experiment. It was also found that for a channel with smaller porous diameter and smaller width, the velocity fluctuation intensities are larger. Comparison of the present data with boiling flow data showed that the turbulence length scales calculated have similar values with those of boiling flow, though the entire velocity field exhibits somewhat differently.
본 연구에서는 물-공기 난류 상향 유동에서의 국부적인 속도장을 비등 현상을 모사한 사각관에서 측정하는 실험을 수행하였다. 비등 이상 유동에서, 난류 구조를 이해하고 난류 모델을 개발하기 위해서는 속도장에 대한 충분한 이해가 필요하다. 게다가 임계 열유속 메커니즘에서 기포의 영향이 속도장에 미치는 효과는 이상 난류 구조와 밀접하게 연관되어 있다. 하지만 비등 이상 유동에서의 난류 구조에 관한 연구는 기상과 액상간의 복잡한 상호 작용, 기포간의 작용, 상의 분포 등과 같이 많이 요소들이 복합적으로 연관되어 있기 때문에 그 실체를 규명하기가 쉽지 않다. 더군다나 최근까지 분산 이상 유동에 관한 연구들이 주로 수행되었기 때문에 실제 비등 현상을 난류 관점에서 실험한 연구들은 거의 없다고 할 수 있다. 임계 열유속 현상을 보다 자연적으로 접근하기 위해서 본 연구는 수행되었다.
본 연구에서는 시간 평균 축 방향, 반경 방향 속도와 속도 요동 세기를 국부적으로 측정하였다. 기포 이탈 지름과 관련되는 기공 지름의 영향과 사각관 폭의 영향을 알아보기 위한 반경 반향 속도 요동 세기도 측정하였다.
본 실험을 통하여 총 239개의 데이터를 얻었다. 기포층 근처에서 축 방향과 반경 방향 속도 요동 세기가 급격히 증가함을 알 수 있었으나 실제 미포화 비등 실험 결과와는 다소 다르게 기포층을 제외한 액상 영역에서는 그 영향이 미미함을 볼 수 있었다. 그리고 기공 지름과 폭의 영향에 관한 실험에서는, 기공 지름이 작을수록, 사각관 폭의 길이가 작을수록 반경 방향 속도 세기는 증가하는 경향을 보였다. 이는 실제 DNB 예측 모델과 기존 난류 모델과 같은 결과를 보여주고 있다. 또한 비등 현상을 모사한 비가열 실험으로서 본 실험에서 난류 에너지와 연관되는 난류 길이 척도는 실제 미포화 비등 실험 결과와는 약간 큰 값으로 계산되었다.
